logo


Nieuws uit het onderzoek                      LCVUlogo


Variatie van de proton-electron massaverhouding ?

Een team van wetenschappers van het LaserCentrum Vrije Universiteit (LCVU) en van de European Southern Observatory in Chili hebben een indicatie gevonden voor een variatie van een van de natuurconstanten: de verhouding tussen de massa van het proton en de massa van het elektron. De wetenschappers rapporteren dat in het natuurkunde tijdschrift Physical Review Letters, dat op 17 April 2006 verschenen is, onder de titel:
Indication of a cosmological variation of the proton-electron mass ratio based on laboratory measurement and reanalysis of H2 spectra
Click voor download reprint.

Variatie van een natuurconstante betekent in feite dat de wetmatigheden in de natuur aan verandering onderhevig zouden zijn. De onderzoekers van de VU en het ESO (in Paranal Chili) kwamen een afwijking op het spoor door de proton-elektronmassaverhoudingen van waterstof van nu te vergelijken met die van twaalf miljard jaar oud. Ze deden extreem nauwkeurige metingen aan spectraallijnen van waterstofmoleculen en vergeleken die met dezelfde spectraallijnen die werden waargenomen in spectra van quasars. Quasars zijn astronomische objecten die in een ver verleden (twaalf miljard jaar geleden) licht hebben uitgezonden. Ze staan zo ver van de aarde, dat hun licht de aarde nu pas bereikt. In het 'oude licht' wordt een vingerafdruk van waterstofmoleculen, zoals ze toen waren, meegenomen naar de aardse telescopen, zoals bij dit onderzoek naar de Very Large Telescope in Chili.

de VLT bij Paranal, Chili, op 2.5 km hoogte in de Andes

De laboratoriummetingen zijn verricht met een speciale, in Amsterdam ontwikkelde laser, die werkt bij precies die golflengten die door waterstofmoleculen geabsorbeerd worden. Die golflengten liggen in het extreme ultraviolet (XUV) tussen 90 en 100 nanometer. Een bundel van XUV-licht wordt dan gekruist met een bundel van H2 molekulen in een vacuum kamer (click voor Plaatje vacuumkamer. Delen van de speciale laseropstelling in het Lasercentrum VU zijn hier afgebeeld:
...
Links de zg. gepulste kleurstofversterker; Rechts de ring-laser.

Omdat de quasars zich met hoge snelheid van ons af bewegen als gevolg van de uitdijing van het heelal, zijn de spectraallijnen verschoven naar het zichtbare golflengtegebied. Dat maakt het mogelijk dat het licht door kan dringen door de aardse atmosfeer, en de spectra nauwkeurig gemeten kunnen worden met spectrometers die vastgekoppeld zijn aan telescopen. Voor deze observaties is gebruik gemaakt van de UVES spectrometer:


De "Ultraviolet and Visible Echelle Spectrograph".

Waterstofmoleculen bestaan uit twee protonen en twee elektronen en het is het meest voorkomende molecuul in het heelal. Uit de vergelijking van de gegevens uit de lasermetingen en de quasar-observaties, in combinatie met berekeningen aan de structuur van het waterstofmolecuul, volgt dat de massaverhouding van het proton en het elektron mogelijk veranderd is in de tussentijd. Er is een indicatie gevonden dat deze massaverhouding kleiner is geworden met 0,002% in de afgelopen twaalf miljard jaar. Dat lijkt weinig, maar volgens de natuurkundige inzichten is het een van de weinige echte constanten, die nu dus mogelijk toch niet constant is.

De proton-electron massaverhouding is een belangrijke fundamentele natuurconstante. Deze constante is dimensieloos, dat wil zeggen ze is onafhankelijk van eenhedenstelsel, het is een getal dat gemeten kan worden en is volgens de huidige stand van de natuurkunde gelijk aan 1836,1526726. De moderne natuurkunde heeft overigens geen verklaring waarom dat dit getal deze waarde heeft. Evenmin bestaat er een verklaring voor het feit dat het zou varieren.

Het is interessant om in dit verband te verwijzen naar een artikel van de Duitse wetenschapper F. Lenz, die in mogelijk het kortste artikel ooit verschenen in de Physical Review opmerkt, dat de waarde voor Mp/me, zoals die toen in 1951 bekend was (1836.12) exact overeenkomt met 6 maal het getal pi tot de 5e macht.

De laboratoriummetingen, de berekeningen aan het waterstofmolecuul, en de statistische vergelijking van de data werden uitgevoerd door een LCVU-team o.l.v. Prof. Wim Ubachs, verder bestaand uit Dr. Elmar Reinhold (inmiddels verbonden aan de Europese Ruimtevaart organisatie ESA, in Noordwijk), Dr. Urs Hollenstein (inmiddels weer terug aan de ETH in Zürich) en Ruth Buning (Masters studente aan de Vrije Universiteit). De observaties aan quasarsystemen bij de ESO in Chili vonden plaats door een team aangevoerd door Prof. Patrick Petitjean (Observatoire de Paris) en Dr. Alexander Ivanchik (Ioffe Instituut St. Petersburg). De zes genoemde wetenschappers zijn alle mede-auteur van de publikatie.

Toekomst

Verdere observaties zullen leren of de gevonden variatie stand houdt en of ze nog precieser bepaald kan worden. Op dit moment zijn slechts nauwkeurige data voorhanden voor 76 spectraallijnen van waterstof, waargenomen in twee quasars; Q0405-443 en Q0347-383. Het gaat erom additionele heldere quasar bronnen te identificeren waarin waterstof lijnen voorkomen. Verder zullen in het laboratorium metingen aan de nog ontbrekende spectraallijnen van de Lyman en Werner banden van het waterstofmolekuul worden uitgevoerd.

In het Lasercentrum VU zullen we ook een andere, nieuwe weg inslaan. Het is namelijk ook mogelijk om te zoeken naar tijdsvariaties van fundamentele constantes alleen gebaseerd op laboratoriummetingen. Omdat de tijdsintervallen dan klein zijn (kleiner dan 5 jaar in het algemeen) moet de precisie wel extreem worden opgevoerd. Dat is het doel van een nieuw onderzoeksprogramma (FOM-IPP-I11) van de groep Atoom, Molekuul en Laserfysika, dat onlangs door de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) is gehonoreerd. In dat programma wordt samengewerkt met de Optics Research Group in Delft, het Nederlands Meetinstituut, TNO en ASM Lithografie. Het programma richt zich op precisiemetingen met ultrastabiele lasers voor velerlei toepassingen.

De ultrapreciese metingen zullen worden uitgevoerd met zg. "frekwentiekamlasers". Voor dit revolutionaire principe, dat het mogelijke maakt optische frekwenties met extreem hoge nauwkeurigheid te produceren en te meten is in 2005 de Nobelprijs verleend aan John Hall en Ted Hansch. Inmiddels is er in het Lasercentrum VU ook een dergelijk lasersysteem gebouwd, waarmee al belangrijke resultaten geboekt zijn, o.a. via een publikatie in Science.

De frekwentiekamlaseropstelling in het Lasercentrum VU


Dit werk in de pers

Radio:

VPRO Noorderlicht Radio I : NATUURKUNDE OP ZIJN KOP
Teleac Hoe?Zo! : Natuurconstantes in beweging?
Dit werk werd uitgevoerd met steun van de SRON Netherlands Institute for Space Research.

Deze pagina wordt momenteel aangepast aan de nieuwe vormgeving van deze site.
Is er iets mis met deze pagina, stuur dan alstublieft een e-mail naar de eigenaar van deze pagina.